电光效应—晶体折射率n与施加外电场E有关

       科学家的天职就是不断奋斗,彻底揭示自然界的奥秘,掌握这些奥秘以便将来造福人类。
                                                                   ——居里夫人(M.Curie)
马赫-曾德尔(M-Z)器件--电光效应(图1)
 一、 电光效应——晶体折射率n与施加外电场E有关  
       电光效应是指某些光学各向同性晶体在电场作用下显示出光学各向异性的效应(双折射效应)。折射率与所加电场强度的一次方成正比变化的称为线性电光效应,即珀克(Pockels)效应,它于1893年由德国物理学家珀克发现;折射率与所加电场强度的二次方成正比变化的称为二次电光效应,即克尔(Kerr)效应,它于1875年由英国物理学家克尔发现。
        电光调制的原理是基于晶体的线性电光效应,即电光材料(如LiNbO3晶体)的折射率n随施加的外电场E而变化,即n=n(E),从而实现对激光的调制。
        电光调制器是一种集成光学器件,它把各种光学器件集成在同一个衬底上,从而增强了性能,减小了尺寸,提高了可靠性和可用性。
        图4.1.1a表示的横向珀克线性电光效应相位调制器,施加的外电场Ea=U/d的方向与y方向相同,光的传输方向沿着z方向,即外电场在光传播方向的横截面上。假设入射光为与y轴成45°角的线偏振光E,则可以把入射光用沿x方向和y方向的偏振光Ex和Ey表示,外加电场引入沿z轴传播的双折射,即平行于x轴和y轴的两个正交偏振光经历不同的折射率(和)电光效应——晶体折射率n与施加外电场E有关(图2),其值为
马赫-曾德尔(M-Z)器件--电光效应(图3)
沿着z轴方向传播,式中,nx是x方向的折射率,ny是y方向的折射率,γ22是珀克线性电光系数,其值取决于晶体结构和材料。此时,施加电场Ea引起的折射率变化Δn为
马赫-曾德尔(M-Z)器件--电光效应(图4)
式中,n0是E=0时材料的折射率,γij是线性电光系数,i、j对应于在适当坐标系统中,输入光相对于各向异性材料轴线的取向。根据式(2.2.3)和式(4.1.2),得到相位差Δφ和施加外电压U的关系为
马赫-曾德尔(M-Z)器件--电光效应(图5)
式中,L是相互作用长度。于是施加的外电压在两个电场分量间产生一个可调整的相位差Δφ,因此,出射光波的偏振态可被施加的外电压控制。横向线性电光效应的优点是可以分别独立地减小晶体厚度d和增加长度L,前者可以增加电场强度,后者可引起更多的相位变化。因此Δφ与L/d成正比,但纵向线性电光效应除外。
马赫-曾德尔(M-Z)器件--电光效应(图6)
图4.1.1横向线性电光效应相位调制器
a)横向珀克线性电光效应相位调制器原理图b)利用横向线性电光效应相位调制器制成的行波马赫-曾德尔PIC调制器
        利用横向线性电光效应相位调制器制成的行波马赫——曾德尔PIC调制器如图4.1.1b所示。
        珀克像及珀克对晶体学的贡献如图4.1.2所示。
马赫-曾德尔(M-Z)器件--电光效应(图7)
图4.1.2珀克像及珀克对晶体学的贡献
a)珀克    b)珀克对晶体学的贡献

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